Ispezione qualitativa di ingranaggi cilindrici a evolvente

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Lo studio presenta un’ispezione qualitativa di ingranaggi cilindrici a evolvente mediante tomografia computerizzata e una valutazione degli stessi secondo la norma ISO 1328-1.

In generale, gli ingranaggi cilindrici con profilo a evolvente vengono misurati su una vasta gamma di macchine di misura a coordinate (CMM). Tipicamente si eseguono misure dei profili, dell’elica e del passo. Sulla base dei punti misurati, vengono calcolate le deviazioni rispetto al profilo teorico in accordo gli standard internazionali, e.g. ISO 1328-1:2013. Con la diminuzione delle dimensioni degli ingranaggi cilindrici a evolvente, tendenza ormai stabile in vari settori, come ad esempio nel campo degli ingranaggi in plastica, la misurazione con stili tattili risulta sempre più impegnativa. Quale extrema ratio, le misurazioni basate sulla tomografia computerizzata sono una delle più recenti alternative adatte per questo compito. Il risultato della misurazione è una nuvola di punti basata su voxel. Può essere esportata in un formato dati STL, rappresentando così la superficie dell’oggetto di misura tramite una serie di triangoli. Pertanto, la valutazione della qualità del componente deve essere basata su software adatto. Il lavoro presentato si basa su VG Studio di Volume Graphics e QUINDOS fornito da Hexagon.

In un primo step, la rappresentazione dell’oggetto mediante nuvola di punti deve essere allineata tramite una misurazione virtuale. Questa misurazione virtuale richiede la valutazione della superficie derivante della rappresentazione a nuvola di punti, ad esempio cliccando con il pulsante del mouse. Applicare questo agli ingranaggi cilindrici ad evolvente include un allineamento grossolano e uno di precisione. Mentre l’allineamento macroscopico richiede in generale un’interazione manuale per sondare singoli punti su superfici piane o cilindriche, l’allineamento di precisione può essere eseguito in modo automatico. Questo include valutazioni standard come determinazioni di piani, cerchi o cilindri. Per soddisfare i requisiti degli standard internazionali per gli ingranaggi cilindrici ad evolvente, le misurazioni devono essere equivalenti a quelle ottenibili mediante misura CMM. Pertanto, all’allineamento dell’ingranaggio devono seguire operazioni standard come misurazioni di profilo, d’elica e di passo. La superficie derivante della rappresentazione mediante nuvola di punti viene virtualmente sondata tramite confronto con una misurazione CMM tradizionale. Per la valutazione dei parametri di qualità degli ingranaggi e dei relativi gradi (di qualità), gli algoritmi da impiegare sono gli stessi.

Questo articolo presenta il flusso di lavoro complessivo e i risultati relativi ad una serie di componenti misurati. Il flusso di lavoro consente la valutazione di tutte le tipologie di componenti in cui la superficie sia rappresentata da una nuvola di punti. È dunque applicabile alla tomografia computerizzata, ma anche tecnologie ottiche come scanner a linea laser.

Stato dell’arte

Lo stato dell’arte per la valutazione della qualità degli ingranaggi cilindrici a evolvente sono le misurazioni tramite CMM. Tra queste, le pratiche più comuni includono acquisizione di profili lungo il fianco e l’elica, sui fianchi sinistro e destro, tipicamente per almeno quattro denti della ruota. Inoltre, ogni fianco è misurato con punti aggiuntivi per valutare la deviazione del passo in determinate posizioni assiali e radiali. In generale, la posizione caratteristica per la valutazione dell’errore di passo giace a metà della larghezza di fascia in direzione assiale e in corrispondenza del diametro di riferimento in direzione radiale (lungo il profilo). La Figura 1 spiega le tre misurazioni comuni. Per ogni vano misurato, una sfera di misura con diametro definito (a contatto con entrambi i fianchi) consente la valutazione della distanza radiale della sfera stessa rispetto all’asse di riferimento. Ciò porta a un valore di eccentricità definito dell’ingranaggio stesso. Ulteriori valutazioni includono, ad esempio, lo spessore del dente o la larghezza del vano. Per queste tre misure, in generale, esistono diversi tipi di CMM; la Figura 2 mostra a) strumenti di misura degli ingranaggi con tavola rotante; b) CMM senza tavola rotante; c) CMM in grado di misurare con e senza tavola rotante. Quando si utilizza una tavola rotante, lo stilo richiesto è molto più semplice, ma risulta necessario combinare fino a quattro assi per la misurazione. Senza una tavola rotante, è richiesto uno stilo a stella che combina fino a tre assi in movimento. La pianificazione del percorso risulta più complessa. Inoltre, questa configurazione consente l’utilizzo di sistemi di carico automatico relativamente semplici e la misura simultanea di diversi ingranaggi alloggiati sullo stesso supporto.

Quando si producono ingranaggi cilindrici metallici con profilo ad evolvente e li si finisce con processi continui come la rettifica per generazione, i valori ottenibili con le misure CMM sono sufficienti un controllo completo del processo di produzione.

In contrasto, gli ingranaggi in plastica vengono convenzionalmente prodotti utilizzando processi di colata (ad esempio, a iniezione). In generale, con uno stampo per ingranaggi, possono essere prodotti più di un milione di ingranaggi in plastica. Stampi multipli moltiplicano questo numero. A causa della crescente miniaturizzazione degli ingranaggi in plastica, dell’impiego di moduli sempre minori e dei materiali rinforzati con componenti aggiuntivi, si pongono sempre nuove sfide. Bisogna quindi considerare:
– effetti di ritiro non continui;
– le singole cavità negli stampi multipli potrebbero necessitare correzioni topologiche;
– necessità di misurazione e manipolazione ingranaggi in plastica sempre più piccoli;
– necessità di acquisire conoscenze sull’intero processo;
– diversi materiali plastici possono essere rinforzati con, ad esempio, fibre di vetro;
– gli stili con piccole sfere (CMM) non sono adatti alla produzione di massa.

Una soluzione per valutare la qualità di questi piccoli ingranaggi in plastica può essere dunque rappresentata dai dispositivi di tomografia computerizzata che offrono la possibilità di misurare piccole parti senza causarne deformazioni. Inoltre, la loro incertezza di misura sta diminuendo sempre di più. Da un lato, la tomografia computerizzata è nota per i tempi di misura relativamente lunghi e per i problemi legati ai materiali non omogenei (ad esempio, materiali rinforzati con fibre di vetro). D’altra parte, però, non ci sono molte alternative.

Nella tomografia computerizzata, la parte viene ruotata e misurata da differenti angolazioni e le immagini ai raggi X corrispondenti sono raccolte con un rilevatore. Successivamente, le immagini vengono ricostruite attraverso algoritmi matematici all’interno di diversi prodotti software. Il risultato è un modello basato su voxel con informazioni relative all’intero volume. Per la valutazione della qualità degli ingranaggi è richiesta solo la superficie. I risultati presentati qui si basano sulle misurazioni degli ingranaggi cilindrici aventi profilo ad evolvente, mostrati in Figura 3. La forma della superficie viene ricostruita mediante il modello basato su voxel. Ciò richiede di determinare il confine che identifichi la transizione dal materiale solido all’aria circostante. Quando il materiale plastico è omogeneo, l’area di transizione del modello basato su voxel risulta liscia. Pertanto, la valutazione è semplice. Le sezioni mostrate in Figura 4a-4b presentano una ricostruzione superficiale altamente ripetibile. La Figura 4c presenta il risultato di misura per un materiale non omogeneo. Il materiale plastico dell’albero dell’ingranaggio in esame è infatti rinforzato al fine di ottenere prestazioni migliori. Di conseguenza, la ricostruzione della superficie può differire significativamente da quella reale portando a misure errate della superficie che appaiono come protuberanze o crateri nel file STL.

Gli alberi degli ingranaggi sono fabbricati in Alcorn PA 66 910/8 GF30 PFTE15: il polimero di base è una poliammide 66 con il 30% di fibre di vetro e il 15% di politetrafluoroetilene (PTFE). Questi additivi possono migliorare la scorrevolezza, l’usura e la stabilità termica.

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